Nesta secção serão apresentados os resultados obtidos no sistema apresentado na figura 4.16. O diagrama de controlo fora implementado no Matlab /Simulink de acordo com o anexo A. Por consequência será apresentado o desempenho do sistema e dos controladores dimensionados no ponto anterior. Para verificar o desempenho dos controladores testou-se o sistema nas seguintes condições:
Conversor DC/AC 85
Tabela 4.8- Condições de teste do sistema
Corrente eléctrica I_PMSG
7 A @ [0.0: 0.5] s 4 A @ [0.5: 1.0] s 14 A @ [1.0: 1.3] s 2A @ [1.3: 1.5] s 0 A @ [1.5: 1.8] s 5 A @ [1.8: 2.0] s 12 A @ [2.0: 2.2] s 8 A @ [2.2: 2.5] s
Corrente de referência directa 0 A @ [0.0: 2.0] s
Tensão do barramento DC de referência 400 V
O controlo do conversor DC/AC foi implementado em coordenadas síncronas, pelo que é muito importante o bom desempenho do PLL implementado.
Figura 4.27- Evolução da fase criada pelo circuito PLL
Na figura anterior ilustra-se a referência de fases do sistema trifásico e a evolução da fase do PLL. Verifica-se que o primeiro ciclo do PLL não se encontra sincronizado com a rede eléctrica. No entanto, essa diferença é minorada com a evolução temporal.
86 Cadeia de conversão Back to Back Voltage source Converter
De acordo com a figura anterior, ao fim do primeiro ciclo da rede eléctrica o PLL encontrava-se cerca de 2.5ms atrasado. Sabendo que a rede eléctrica tem um período de 20ms, esta diferença traduz-se em 45o. Com o decorrer do tempo o PLL convergiu para o valor síncrono como se apresenta de seguida.
Figura 4.29- Sincronismo entre o PLL a tensão da rede eléctrica
Observando as figuras 4.27 e 4.29 verifica-se que o PLL ao fim do sexto ciclo convergiu para o valor correcto da fase da rede. O erro manifestado pelo PLL neste ciclo é inferior a 2o.
De seguida apresenta-se a evolução da perturbação criada para a fonte de corrente emulada para o circuito AC/DC e gerador, assim como a evolução da tensão do barramento DC.
Conversor DC/AC 87
A figura 4.30 a) ilustra as variações criadas de acordo com a tabela 4.8. As variações de corrente são em degrau, sendo o módulo da variação máxima de 12A. As respectivas variações de corrente originam alguns efeitos transitórios na tensão do barramento de condensadores. No entanto, mesmo com elevadas mudanças da corrente, a variação máxima de tensão manifestada foi de 2V, cerca de 0.5% do valor nominal.
A diversidade de valores manifestados pela fonte de corrente teve a seguinte manifestação nas correntes eléctricas no referencial dq:
Figura 4.31- Evolução da componente directa e quadratura da corrente eléctrica
De acordo com a figura anterior, os efeitos da perturbação são sentidos essencialmente na componente de corrente que se traduz em potência activa (id) como seria de esperar. Este fenómeno deve-se ao facto da referência de corrente para a componente q ser nula, requisito necessário para que o sistema produza apenas energia activa. No entanto, mesmo com o desacoplamento das componentes d e q da corrente eléctrica, as grandes variações da componente d, são de facto sentidas na componente da potência reactiva iq. No entanto, as perturbações sentidas de acordo com a componente d são rapidamente suprimidas.
88 Cadeia de conversão Back to Back Voltage source Converter
Figura 4.32- Evolução das tensões e correntes do sistema trifásico
A figura anterior ilustra as variações de corrente do sistema trifásico. As correntes do respectivo referencial são proporcionais à componente d da corrente eléctrica. Sendo a tensão da rede eléctrica constante, verifica-se que a potência máxima debitada para a rede ocorre no intervalo entre [1:1.3] s. Verifica-se, também, que o factor de potência é unitário. No entanto, devido à grande variação de corrente eléctrica no barramento DC no instante t=1s, verifica-se uma pequena deformação da forma de onda da corrente na fase A. Esta deformação está na origem de uma pequena quantidade de energia reactiva enviada para a rede eléctrica, tal como se apresenta na componente q no respectivo instante (figura 4.31).
Conversor DC/AC 89
Figura 4.33- Evolução do trânsito de potência activa e reactiva entre o conversor DC/AC e a rede eléctrica.
Na figura anterior verifica-se que a potência fornecida à rede eléctrica é proporcional à perturbação criada pela fonte de corrente do barramento de condensadores. Quanto à potência reactiva, verifica-se que existe uma grande quantidade de absorção de energia reactiva no instante inicial de ligação à rede eléctrica (t=0s). Como referido anteriormente, o consumo de potência reactiva deve-se ao facto da não sincronização entre o PLL e a tensão da rede eléctrica. Esse facto anula-se com o decorrer da simulação. Verifica-se, também, um transitório de energia reactiva no instante t=1s devido à deformação da corrente eléctrica presente na figura 4.32.
90 Cadeia de conversão Back to Back Voltage source Converter
Figura 4.34- Conteúdo harmónico da corrente eléctrica da fase A
O espectro harmónico da corrente da rede eléctrica é muito reduzido. Consiste, essencialmente, em duas frequências designadas de fundamental ou 1º harmónico e a frequência caracterizada pela comutação do SV PWM. Verifica-se que a amplitude do harmónico fundamental (50Hz) para a corrente eléctrica no instante referido é de 29.14A. Verifica-se que do baixo espectro harmónico, originado pelo algoritmo de controlo e SVPWM, resulta a taxa de distorção harmónica de 0.16%.
4.5 - Conclusão
Neste capítulo foi apresentado o controlo de velocidade de um gerador síncrono desacoplado da rede eléctrica através de um barramento de condensadores, e a injecção de potência activa na rede eléctrica. O controlo de velocidade e injecção de potência foi descentralizado. A existência de dois conversores electrónicos permitiu o controlo individual de velocidade do gerador e da injecção de potência na rede, permitindo assim, a
Conclusão 91
descentralização no controlo. A topologia dos conversores electrónicos utilizados foi o Back to
Back.
Do ponto de vista do controlo da máquina eléctrica o conversor utilizado designou-se de AC/DC. O controlo implementado foi o ZDAC (zero axis current control). Este algoritmo proporciona de facto uma relação linear entre o binário e a corrente eléctrica. Esta característica permite, efectivamente, uma dinâmica de controlo elevada.
Adicionando ao facto da relação binário/corrente ser linear, a frequência de comutação elevada também contribuiu para que os elevados transitórios manifestados tenham sido tratados de forma rápida e bem-sucedida. Como apresentado, estes dois fenómenos juntos, permitiu obter um valor baixo para o conteúdo harmónico das correntes apresentadas.
Por fim, comprovou-se que o algoritmo ZDAC possui uma dependência entre a carga aplicada à máquina e o factor de potência. Verifica-se que quanto maior for a carga aplicada ao gerador, menor seria o factor de potência [31, 33], levando à maquina consumir energia reactiva. Esta dependência trás algumas consequências, nomeadamente ao nível do conversor AC/DC. Aumentando a energia reactiva consumida, aumenta o trânsito de potência e, por consequência, ao aumento de perdas no conversor. Este fenómeno leva à aquisição de conversores com valores de potência nominais superiores, por comparação aos resultados obtidos com factor de potência unitário [31]. No entanto, segundo [37] é possível iterar este sistema para um semelhante com o factor de potência unitário. Para tal, seria necessário colocar uma malha mais externa ao controlo da corrente d do respectivo referencial.
O conversor responsável pela injecção de potência activa foi designado de DC/AC. A potencia activa foi implementada de acordo com a topologia VOC, Voltage oriented Control. O algoritmo consiste no alinhamento das correntes trifásicas do conversor DC/AC com a origem de fases da rede eléctrica, permitindo assim injectar apenas energia activa.
A topologia de controlo VOC foi modelizada de acordo com os parâmetros existentes no sistema de potência. Os modelos desenvolvidos foram utilizados para o dimensionamento dos controladores de corrente eléctrica do referencial síncrono e da tensão do barramento de condensadores. Os parâmetros desenvolvidos para os controladores foram obtidos através da resposta em malha aberta, assim como impondo uma margem de fase de 85o ao respectivo processo a controlar.
Por conseguinte, o sistema foi implementado no software Matlab/Simulink e recolhidos algumas conclusões através de simulação. Verificou-se que o sistema apenas produziu potência activa após a sincronização do PLL com a rede eléctrica. As elevadas perturbações de correntes criadas apenas fizeram variar em 0.5% da tensão do barramento de condensadores. Concluindo assim, que o controlador de tensão do barramento foi bastante eficaz na sua função de manter esta no valor de 400V. Por outro lado, as elevadas perturbações originaram um efeito transitório na corrente eléctrica do barramento AC fazendo transitar potência reactiva entre a rede eléctrica e o conversor DC/AC. Embora este efeito transitório tenha sido eliminado de forma rápida, o seu efeito nas correntes AC poderia ser minimizado recorrendo a controladores Feed-Forward ou flutuando ligeiramente o valor de tensão do barramento DC.
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